第3 9卷 第 1 0期 21 00年 1 0月
辽
宁
化
工
L a n n h mi ̄ I d sr io i g C e c n u t y
Vo . 9, . 0 13 No 1 Oco e , 0 0 tb r2 1
C E A 在 压 力 容 器 管 口应 力分 析 中的应 用 A S R1 1
刘 焰 明 ,刘 吉 飞 ,王 乾 ,王 明鑫
( 洋 石 油 工 程股 份 有 限公 司 ,天 津 30 5 ) 海 0 4 1
摘
要 : 论 述 了压 力 容 器 管 口应 力 分 析 的基 本 理 论 , 绍 了 云 图 曲 线 法 与 WR 17两 种 常 用 的 管 介 C0
口应力 校核方法 ; 以某闭式排放罐为例 , 将容 器本 体及支墩 建入模型 , WR 17有 限元 分析方法进 行 用 C0
校 核 。 对 相 应 边 界 条 件 的选 择 进 行 了论 述 ; 析 总 结 了降 低 容 器 管 口应 力 的 常 用 方 法 , 终 推 荐 一 种 并 分 最 较 为 合 理 的 容 器 管 口连 接 管 道 的 布 置 方 式 。 关 键 词 : 压 力 容 器 ;管 口应 力 ; 图 ; R 17 云 W C0
中图分类号 : T 5 . Q0 2 4
文献标识码 : A
文章编号 : 10 0 3 (0 0 1 19 0 04— 9 5 2 1 )0— 0 9— 4
近 年来 , 随着 海洋 石油工 业 的发展 , 压力 容 器在 石 油平 台 以及 F S P O等浮 式生 产储 油设 施 上获 得 了 广 泛 的应用 , 如油气 分 离 、 然气 处理 、 天 闭式 排放 、 火 炬、 化学 注入 等 系统 中都 用 到 了压 力 容 器 。 由于 大 多数海 上生 产平 台 与 浮式 生 产设 施设 计 空 间 有 限 , 压 力容 器所 连接 管道 的走 向受 到 限制 , 管道 如 布 置
下 为正 ) 为容 器 轴 线 与管 口中心 线所 在 平 面 内 ,
弯矩 . , M 为 与 封 头 截 面 平 行 管 口截 面 内 的弯 矩 ,
¨
的正 负 值 将 产 生 相 同 的应 力 效 果 , 因此 , 不
考 虑正 负 。
1 应 力 分 析 基 础 理 论
1 1 WR 1 7校核 理论 . C0
不 合理 将使 容器 管 口柔 性 较 差 , 道 将 对容 器 施 加 管
较 大 的推力 以及 弯矩 ; 时 由于 开 口造 成局 部 结 构 同
不 连续 , 区域 容易 形 成 应 力 集 中 。 内外 载 的共 同 该
压 力容 器管 口应力 分析 的 目的是 根据管 口载荷 计 算容 器 内力 , 析 容 器 管 口区域 受 载 下 的应 力 状 分 况 。 自从 2 0世 纪 6 0年 代 以 来 , 接 研 究 学 会 第 焊
作 用使 得管 口区域 易 产 生 裂 纹 甚 至破 裂 , 导致 油 气 泄漏或 爆炸 、 危及 生产 和生 活安 全 。 压 力 容 器通 常 布置 在 两 个对 称 配 置 的鞍 座 上 , 受 内压 、 温度 、 介质 重 量 、 座支撑 、 震风 载 以及接 鞍 地 管等导 致 的载荷 , 力 情 况 较 为 复杂 。图 1为 卧式 受
容 器模 型 图 。
17公 告 ( C) 0 WR 已被设 计 工 程 师 广 泛 地 用 于 评 估
容器、 附件 接 口的 局 部 应 力 。WR 1 7是 一 套 由于 C0 附加载荷 在 容器上 产 生 的有 限元 分析 结果 的参数 化 法, 可用 来 分 析 圆柱 形 或 球 形 容 器 附 件 处 的应 力 。 管 口载荷 在 容器壁 上 引起 的应力 应满 足下列 条件 :
一
次 总体薄膜 应力 强度 :
P <S () 1
一
次局 部薄膜 应力 强度 : . :
<15 .S () 2
一
次薄 膜加一 次 弯 曲应 力强 度 :
+P <15 6 .S () 3
一
次加 二次应 力 强度 :
+ +Q( 次 应 力 ) s 二 ≤3 () 4
图 1 卧 式 容 器 模 型 图
图 中 ,、 A B为管 口中心 线 至 两个 封 头 位 置 的距 离 , D为管 口中心 线至 两个 鞍座 之间 的距 离 , C、 P为 管 口轴 向力 , 以容 器 外 至 内为 正 ( 模 型 中竖 直 向 该
总应 力 强度 :
P£ 6+Q+F( 变 幅 ) s +P 交 ≤2 收 稿 日期 : 2 l 72 0 O -7 作 者简 介 : 刘 焰 明( 9 3一) 男 , 理 工 程 师 。 18 , 助 () 5
10 10
辽
宁
化
工
P = Fy
21 0 0年 1 0月
() 9
(0 1) ( 1 1)
总应 力强度 ( 向主应力 和 ) 三 :
S +S S ≤4 m 1 2+ 3 S () 6
M c =M + Fz × 。 M£ M z+F ×a x
其 中 ,1 ( )~( ) 控 制 一 次应 力 强 度 , 由塑 3式 可 性 极限载 荷分析 P / ( ) ≤ 4 式是 控 制 塑性 疲 劳 和 递 增性 塑性 变 形 , 由加 、 载塑 性 安定 性 分 析 代 可 卸 替 ; 5 式 控制 弹塑性疲 劳 , 6 式 控制 脆断 。 () ()
式中 : a为管 口法兰端面至罐体表面的距离 。
’ WR 17根据 管嘴 载荷可计 算 出一 次薄 膜应 力 C0 与二次 应力 , 种应 力 部分 可 从合 成 应 力 强度 中得 各
到, 而应 力强度 可 由施加 的持续 、 热胀 和偶 然载荷计
算 中得 到 。
1 2 容 器管 口弯 曲刚度计算 . 在 各个力 与 力 矩 分 量 中, 矩 ( 括 平 面 内与 弯 包 平面外 ) 比力更 容 易使 容器 壁 产生 变形 。如 图 1所
图 2 容 器 管 口 “ nh r处 理 模 型 A co”
示 , 为平 面内弯矩 , 为平 面外 弯矩 。考 虑容 器 帆
管 口柔 性后 , 不能 缓解 与重 力 和压 力 相对 应 的一 并
取 M = X M ML√ ) 一般 M / 2 MA ( , / 2 , ≥ √ 根据 M, P的值 参 照云 图进 行 校核 , 果 点 ( 如 P, )在 云 图 曲线 包 络 的范 围 内 , 校 核 通 过 , 之 , 则 反
次载荷 , 所能缓 解 的主 要是 由热 膨胀 和 端 点 附加 位 移等 引起 的二 次载荷 。 弯 矩作 用 下 容 器 管 口弯 曲刚 度 可 按 式 ( 计 7)
需要 调整管 支架位 置 、 型 或修 改 管道 走 向使计 算 类
结果通 过 。 2 2 WR 0 / 9 . C 17 2 7校 核法
算:
E K ̄= 1 7 5 x 1 5 ‘ Z . 4 0- 。。
_
() 7
式 中 : 一 平 面 内 、 弯 曲 刚度 , ? / ; K 外 N m% E 安 装 状 态 的 弹性 模 量 , a 一 MP ; , 管 道 截 面惯 性 矩 , _ mm ; D0 管道 外 径 , m; 一 m
一
云 图校核 法是 一 种 常用 的工 程 经验 值 法 , 由于 省去 了橇块 内 的建 模 与分 析 , 用 起 来 比较 快 捷 。 使 但是 在一定 条件下 , 容器 与 管道 连 接 处允 许 有 一定
的位 移与转 角 , 就是 说 与 容器 相 连 的管 嘴 有 一定 也
的柔性 , 如果 将设备 管嘴 完全 刚性 处理 , 在工 作状态
柔 性 因 子
=
c () ] ( 寺[ 等 告
( 8 )
(P ) 算 出的管 嘴 载 荷将 非 常保 守 , OE计 因此 有 时就
需对 连接处 的实 际 刚度 进行 计 算 , 将其 模 拟 为柔 或 性 管嘴对 所 连 设 备 一 起 建 入 模 型 中。本 文 中 采 用 WR 2 7对 管 道 系统 进 行建 模 , 用 WR 17校 核 C9 采 C0
管 嘴的柔性 。
式中:C w系数 , 计算平面内弯 曲刚度时取 0 0 计算平 面外 弯 .9,
曲 刚度 时 取 0 2 ; .7 D 容器外径, 一 mm;
一
管道壁厚, mm;
卜 容器壁厚,, m 存在补强时 应加上补擅厚度。
图 3为 WR 2 7输 入 界 面 , C 9 自动将 输 C9 WR 2 7 入 的 管 嘴 节 点 与 容 器 节 点 关 联 , 需 要 使 用 不
“N D C O E点 ” 注意 “ i ac tfnro H a ” , D s net Sie e r ed 中 t o f 输 入管 嘴离 较 近 的封 头 的距 离 , Ds net O p— “ ia c o p o t
2 应用 实例
在对 压 力容 器 管 口进行 校 核 时 , 用 的有 两种 常 方法: 一种 为 云 图 校 核 法 , 接 将 容 器 口法 兰 处 作 直
s eSiee” i tf r 中输入 管 口距另 一 个 封 头 的距 离 。容 t fn 器 的材料 采用 A l 0 参 照 A MEB 1 3的设计 标 5 67 , S 3 . 准, 容器 的外径 与壁厚 按照管 道进行 输人 。
“ nhr 处 理 ; 外 一 种 方 法 将 罐 体 建 入 到 模 型 A co” 另
中, 采用 WR 1 7 2 7理论 进行 校核 。 C 0/9
2 1 云 图校核 法 .
考虑 到支墩 对压 力容器 的支撑 只作用 在压力 容 器 下部 的一部分 面 积 上 , 直接 在 容器 节 点 上施 加 约 束 将会使得 计算 结果失 实 , 因此在建 模时 , 了使 计 为
算 结果更 加真 实 , 支墩也建 入到模 型 中 , 容器 中 将 从 心起建一 无质量 刚性 件 来 模 拟 支墩 , 相应 的位 置 在 进 行约束 。
在进 行 应力 分 析计 算 时 , 有时 由于无 法获 取所 需厂家资 料或为 了减 少 工作 量 , 常在 管 口直 接 “ n A— co” hr 处理 , 图 2所 示 , 时 假设 容 器 管 口区域无 如 此 变形 , 刚性无 限大 , 后 提取 此 处 的 支架 力 与力 矩 然
,
F , , , , , 于图 2所示模 型 : 对
标准分享网 www.bzfxw.com 免费下载
第3 9卷第 1 O期
刘焰 明, C E A 等: A S RⅡ在压 力容器 管 口应力分析 中的应用
( )若 持续 工作 状 态 与偶 然 状 态应 力 失 效 , 1 可
@ wR 7 c2 9 0 A l 5 尸 0 6
以增 加 支架 的个 数 , 以及 调 整支 架 的位 置 与类 型 来 改善 应力 状况 。 ( )若热 态 工况 下 应 力 失 效 , 释 放 相应 的约 2 应 束 以及 利用管 道 的 变形 来 吸收 热 位移 , 间位 置 允 空 许还 可使 用 弹簧 吊架 , 膨 胀 节 在 油 气 处理 系统 禁 但 止使 用 。 ( )根据 G 10的要 求 以 及 分 析 经 验 校 核 壁 3 B5 厚是 否满 足要 求 , 壁厚 过低将 导 致许用 载荷 较小 , 此
r
o 0 P 50 D5
No No e: d
V酞 N ) j i 咖 如
d
N e Oue D I e: tr r f No z W T ck  ̄ : zl e hi n
Ves dO um t D n e V时0 dW T hd‘ s
V s e 0 c ¨d dP , T d
D醯_ ℃eI oS【fr Ⅸ He ie 目 f a D _ O t S eS蜥 en io .
V ̄ a l e C d ■ O ̄ cin C 'e V et o os m X:1 0 0 0
V ∞ C £ e | 0 o o W 捌 D eInC s i V eC ,- D d 钟l I r 啪 C s eW : o i Z n
Ve#d T ̄ eL t se on 矾 1 0 410 0
V dH撕 啪喜
:
7 0
… …
羔
时通 过上 述两 种方 法调 整模 型意 义不 大 。
3 结 论 与 展 望
图 3 WR 2 7输 入 界 面 C9
通过 对上 述模 型 的计算 与分 析 , 出 以下结论 : 得
本文以 B 2 Z 6—3项 目中 的闭 排 罐 与 火 炬 管 线
( )容器 的壁 厚 设 计 应 考 虑 承受 一 定 的外 载 , 1
在购 置压 力容 器 时应 考 虑 外 载 的作 用 , 行 容 器 管 进 口管 网规 划时 应进 行 应 力 试 算 , 在 相应 的位 置 进 并
行补 强 。
为例 , 模 进 行 分 析 , 排 罐 管 口采 用 WR 27进 建 闭 C9
行模 拟 , 了考虑 罐体 本身 柔性 , 为 罐体 与支 墩均 按上 述 的方法 建入 模 型 , 图 4 如 。
( )容器 管 口连接 管道 的走 向应 考虑利 用管 道 2 的 自身柔性 消 除 二 次应 力 , 用 管 段 “ ” 收容 器 利 1吸 轴 向位 移 , 用 管 段 “ ” 收 管 段 3的 轴 向位 移 。 利 2 吸 容器 管 口上 端 的立 管 长 度 不 宜过 长 , 防止 立 管 的重
l
量导 致管 口轴 向力 过大 。
( )运 用 杠杆 定 律 调 整 支架 位 置 , 方 面应 保 3 一
丫
证 支架 处 的 支 持 力 不 致 过 低 导 致 支 架 不 起 支 撑 作
}
j
用 , 道其 它节 点应 力过 高 ; 管 另一 方面应 保证 支架 以
及 基 础结构 能 承受 的载荷 不致 被压 溃 。最终使 得 管
—
/
田 幸
固定支架
口处 的应力 值较 低 。 ( )“ 应 力 ” “ 位 移 ” 两 个 相 互 矛盾 的 4 低 与 小 是 参数 , 往往需 要牺 牲 其 中之 一 保证 计 算 结 果 的安 全
可 靠性 。
参 考 文 献
[ ] 唐 永进 . 力 管 道应 力 分 析 [ . 京 : 1 压 M] 北 中国 石化 出版 社,
2 0 1 : 5—8 0 3, 1 6 9.
图 4 建 入 容 器 本 体 模 型 图
再 用 WR 17进 行 校 核 , 核 时 是 否 考 虑 “n C0 校 I—
c d rsueT rs” 具争 议 , 者 通 过查 阅诸 多 l ePesr hut颇 u 笔 资料 得到 以下结 论 : 于 盲 板 力 是 由于 管径 发 生 变 基
化导致 有效 受压 面 积 变 化产 生 的推 力 , 当管 道 中没
有运用 波纹 管 , 管道 的管径 没有 发 生变化 时 , 盲板 力 可 以通 过 系统 自身 的反馈 可 以达到平 衡 。 对 模型 进 行 运 算 求 解 后 运 用 WR 1 7校 核 管 C0 口载荷 , 从计 算结 果 中提 取 S S 持 续 状 态 , 虑 重 U( 考
[ 2] C A E Ic A S RⅡ 中文 用户手 册 [ . O D n.C E A M] 北京 : 中国技术
服 务 培 训 中心 ,0 3 20 .
[ 刘亚江. A S R Ⅱ管道应力分析理论 [ ] 管道技术 与设备 , 3] C EA J.
20 0 3.
[ ] 段瑞. 4 压力容器壳体局部应力计算方法 分析[ ] 设计与结构 , J.
20 ,8 6 :5— 8 0 1 1 ( )2 2 .
力、 内压 与 弹簧力 ) O C( 然 状 态 , 虑 地 震 与 风 、C 偶 考
载 )O E 热 态 , 、P ( 考虑 设计 温度 与安装 温 度 的差 值 引
[ ] 李永泰. 5 压力容器分析设计需讨论的若 干问题 [ ] 设计计算 , J.
20 2 ( )3 3 . 0 7,4 2 :0— 3
起 的热胀 ) 3种状 态下 的管 口的载 荷 , 核是 否 在许 校
用 的范 围 内。
[ ] 戚晓宁 , 6 石磊 , 曹永. 力容器 管 口应力分 析 [ ] 石油化 工设 压 J. 备 ,0 9 8: 4 . 20 , 4 4— 6
若 某一 工 况 校 核失 败 , 参 考 下述 相 应 方法 对 可 计 算模 型进 行调 整 。
( 下转 第 10 14页 )
10 14
辽
宁
化
工
21 00年 9月
6 结
语
螺 旋 折 流板 换 热 器 管 束 在 设 计 时 需 采 用新 结 构 , 弓形换热器 管束相 比 , 有诸 多优 点 , 别是 与 具 特
它 能够有 效地 降低介 质 流 动 阻力 、 加 传热 效 率 和 增 减 震等优 点 , 因此 具有 广阔 的应用前 景 。
参 考 文 献
[ ] 王秋旺 , 1 罗来勤, 曾敏. 交错螺旋折 流板管壳式 换热器 壳侧传
图 9 螺 旋 折 流 板 在 椭 圆上 位 置 坐 标
式 中 : 一椭 圆 长半 轴 长 度 , i ; m l l
热与阻力性能[ ] 化工学报 , 0 5 4 :2— 6 J. 20 ()2 2 . [ 2] G 1 1—19 . B5 99 管壳式换热器 [ ] 9 9 S .19 . [ 3] 曹纬. 国外新 型换热器介绍[ ] 化学工程 , 0 0 6 :0— 3 J. 2 0 ( )5 5 . [ ] 王正方 , 4 王勇 , 曲大伟. 螺旋折流板换热器 的研究 与制造 [ . M] 全 国化工热交换器技术与设备交流会论文集, 0 8 20 . [ 5] 潘振 , 陈宝东 , 艳丽. 商 螺旋折流板换 热器 的研究 与进展[ ] J.
R 圆 柱体 半 径 ( 椭 圆短 半 轴 长 度 ) hm; 一 即 ,i
一
螺旋 折 流 板 安装 倾 角 。
螺旋折 流板椭 圆 曲线 边上 任 意点 ( ) Z , 的数 值 可 以计算 得 出。 当 = A时 , 以得 出此 时的 z 值 : 可
z =,p ( 一 2R ) 1 / 21 A /
节 能 技 术 , 0 6 1 :6—3 . 20 ( )3 9
[ 6] 邓斌 , 吴扬 , 陶文铨. 螺旋折流板换 热器壳侧 流动的数字模 拟 [ . M] 中国工程热物理学会 2 0 03年学术会议论文集, 0 3 20. [ 王秋旺 , 7] 罗来 勤, 曾敏. 交错折流板 换热器传热 与阻力性 能的 实验研究[ . M] 中国工程 热物 理学会 2 0 0 3年 学术 会议论 文
集 。0 3 20 .
则螺旋 折流 板的弦 长 C的计算公 式 为 :
C=2 I= / 2 1一 zR ) Z 2,p ( A /
螺旋 折流板 的边长 S的计 算公 式为 :
S= +( / ) c 2
www.bzfxw.com
论 文 集 ,0 3 20.
2 o 0 4.
[ ] 王良, 8 罗来勤 , 王秋旺. 螺旋折流板 换热器 中阻流板对换 热及 沿程压降的影响[ . M] 中国工程热物理学会 2 0 0 3年学术会议
[ ] 朱冬生 , 9 蒋翔 , 陆应生. 螺旋折流板 低翅 片管油换热器 应用研 究[ .0 4年全国化工石化装备国产化技术交流会论文集 , M]2 0
螺旋 折流板 的扇形 角 J B的计算 公式 为 :
B: aci( / S 2 rs C 2 ) n
[0] 张少维 , 1 周荣兰, 桑芝富. 折流板间距对换热器性能影响 的数 值研究[ 】 南京工业大学学报 , 05( ) 2 2 . J. 20 3 :5— 8
I r d to ft pia f e Pl t t uc u e nt o uc i n o he S r lBa l ae S r t r
Z E i- n , A egl g A GLn H NGXu a g C O F n—n ,Y N i f i
( Z Ma uatr g C , t , h n a g1 0 4 hn ) L n f u i o Ld S e y n 1 14 C ia c n
Absr c :The s ia afe p ae h a x h ng m l d p p o i t p r tu t r ta t p rlb f l t e te c a e ala o ta prx mae s ia sr c u e,ma y p e e fo e —q re ft e s elco s l l n ic so n uat ro h h l rs
—
s cin fn—s a e l t r s e ld s ia —s a e e t a o h p d p ae a e a s mbe p rl h p d,e e y pe e o af lt n e tp p r b i u .I h p rlb f e v r ic fb f e p ae a d h a ie ae o l e n t e s i af l q a l
p ae h a x h n e , d u s ial o s i h h l t e fr d c n r u a o c mp o et e t r u e t o lt e t c a g r me im p rl f w n t e s el,h ome e t fg l re i r v h b ln w,p e s r s e a s e yl i f u l f rs u e l sb c u e o o r e—a ge r v ra o a lo b v ie . fl g a n l e e s f w c n a s e a od d ll Ke r s y wo d :He t x h n e ;He te c a g r n l fisal tu tr e in a c a g r e a x h n e ;A ge o t l;S r cu e d s n g
V / 、 、
( 上接 第 10 11页)
S r s ay i n No zeo es r se i te sAn lssi z l fPr su e Ve slW t CAES h AR Ⅱ
LU Y nri , ie, A GQa , A GM —i I a — n uUJ- i W N in W N gx ug f n
( f hr Ol ni eigC . Ld Taj 0 4 1 h a O soe iE g er o , t, i i 30 5 ,C i ) n n nn n
Ab t a t h a i t e r f te sa ay i i h o ze o r s u ev s e w sd s u s d t e o sr c :T e b sc h oy o r s n ss nt e n z l f e s r e s l a ic s e ,h n t c mmo to so h c ig n z s l p wo n meh d fc e k n o ‘
ze srs r nto uc d s c s t v u to ha meho n h l te swe e i r d e u h a he e a ain c n t d a d t e FEA t o a ld W RC1 7. Ta i g co e d an v s e S a l me h d c le 0 k n ls r i e s la n
e a l , e b d fte v s e a d te s p o t e e mo e e ,te x mp e t o y o e s l n h u p rsw r d l d h n WRC1 7 w s u e n t e c e kn ,h w t e e tt e b u d r h h 0 a s d i h h c i g o o s l c o n ay h c n i o sds u s d At a t h w t r v esr s tt si h e s l o zewa u r a d, e e s n be w y o i el y o d t n wa ic s e . s , o oi o et t ssau n t ev s e z l sp t o w r t n a r a o a l a f p a — i l mp h e n f h p i g i h o ze o e s l sr c mme d d n n te n z l fv se e o wa ne . Ke r s r s u ev s e :S rs f h o z y wo d :P e s r e s l t so e n z l e t e:E au t n c a t v a i h r ;W R 0 l o C 17
标准分享网 www.bzfxw.com 免费下载